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15.回旋加速器在粒子物理研究中有重要的作用,其基本原理简化为如图所示的模型.相距为d的狭缝P、Q间存在着方向始终与P、Q平面垂直、电场强度大小为E的匀强电场,且电场的方向按一定规律变化.狭缝两侧均有磁感强度大小相等、方向垂直纸面向里的匀强磁场,且磁场区域足够大.某时刻从P平面处由静止释放一个质量为m、带电量为q的带负电的粒子(不计重力),粒子被加速后由A点进入Q平面右侧磁场区,以半径r1做圆周运动.当粒子由A1点自右向左通过Q平面时,电场的方向反向,使粒子再次被加速进入P平面左侧磁场区做圆周运动,粒子经半个圆周后通过P平面进入PQ狭缝又被加速,….以后粒子每次通过PQ间都被加速.求:
(1)磁场磁感应强度B的大小;
(2)粒子第一次和第二次自右向左通过Q平面的位置A1和A2之间的距离;
(3)粒子从开始到第n次恰好穿过电场所用的时间Tn.

分析 (1)粒子在电场中直线加速,根据动能定理列式;在磁场中做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律列式;最后联立求解;
(2)先根据洛伦兹力提供向心力求解轨道半径,然后结合几何关系求解A1和A2之间的距离;
(3)从开始到第n次恰好穿过电场经历了n段匀加速直线运动和n-1个圆周运动,在磁场中做圆周运动的周期不变,在电场中根据牛顿第二定律和运动学公式列式求解即可.

解答 解:(1)粒子由静止释放,经电场加速后第一次通过Q平面时的速度为v1,根据动能定理,有:
$qEd=\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$
粒子在Q侧匀强磁场内做匀速圆周运动,设磁场为B,有:
qv1B=m$\frac{{v}_{1}^{2}}{{r}_{1}}$
解得:
B=$\frac{1}{{r}_{1}}\sqrt{\frac{2mEd}{q}}$
(2)设粒子经A1并加速后进入P平面左侧区的速度为v2,有:
$qEd=\frac{1}{2}m{v}_{2}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$
设粒子在P左侧做圆周运动的半径为r2,有:
$q{v}_{2}B=m\frac{{v}_{2}^{2}}{{r}_{2}}$
粒子在P、Q间经第三次加速后进入Q右侧磁场区的速度为v3,圆周运动的半径为r3,有:
$qEd=\frac{1}{2}m{v}_{3}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{2}^{2}$
$q{v}_{3}B=m\frac{{v}_{3}^{2}}{{r}_{3}}$ 
A2与A1之间的距离为:
A2A1=2r3-2r2
A2A1=2($\sqrt{3}-\sqrt{2}$)r1
(3)粒子在磁场中做圆周运动的周期为T
T=$\frac{2πm}{qB}$=$π{r}_{1}\sqrt{\frac{2m}{qEd}}$
第一次恰好穿过电场所用的时间为t1,由运动学公式可得:
d=$\frac{1}{2}\frac{qE}{m}{r}_{1}^{2}$
从开始到第二次恰好穿过电场共经历了两段匀加速直线运动和一个二分之一圆周运动
$2d=\frac{1}{2}\frac{qE}{m}{r}_{2}^{2}$
所用时间为T2=t2+$\frac{T}{2}$
从开始到第n次恰好穿过电场经历了n段匀加速直线运动和n-1个圆周运动,故:
nd=$\frac{1}{2}\frac{qE}{m}{r}_{n}^{2}$
所用时间为:Tn=tn+$\frac{T}{2}(n-1)$=$\sqrt{\frac{2ndm}{qE}}$+$\frac{(n-1)π{r}_{1}}{2}\sqrt{\frac{2m}{qEd}}$
答:(1)磁场磁感应强度B的大小为$\frac{1}{{r}_{1}}\sqrt{\frac{2mEd}{q}}$;
(2)粒子第一次和第二次自右向左通过Q平面的位置A1和A2之间的距离为2($\sqrt{3}-\sqrt{2}$)r1;
(3)粒子从开始到第n次恰好穿过电场所用的时间Tn为$\sqrt{\frac{2ndm}{qE}}$+$\frac{(n-1)π{r}_{1}}{2}\sqrt{\frac{2m}{qEd}}$.

点评 本题关键是明确回旋加速器的原理,在电场中是加速,在磁场中是匀速圆周运动,结合牛顿第二定律和运动学公式列式求解,本题中电场中加速时间不能忽略.

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